高达1.5亿元的太空马桶飞向宇宙

李忠东

UWMS马桶造价不菲

2020年10月2日，美国“天鹅座”货运飞船在美国弗吉尼亚州发射升空，将3.6吨左右的物资和设备送往太空，并于10月5日到达国际空间站。其中，最引人注目的当属美国宇航局（NASA） 设计的一个钛合金马桶，其正式的名称为“通用废物管理系统”（UWMS）。2014年，这款堪称“史上最贵的马桶”正式立项，经工程技术人员6年之久的研发，花费2300万美元（超过1.5亿元人民币）终于成功，较之前的ISS系统最大的区别是紧凑且完全独立。旧的ISS系统通常藏在舱壁后面，维修较为困难，而UWMS马桶被安置在空间站旧马桶旁的隔间里，将经历3～4年的使用检验。它不仅在空间站内使用，而且未来还将用于美国的载人登月计划。

UWMS马桶的设计较为简单，重约45千克，高71厘米，比目前空间站使用的马桶的质量要轻40%，而体积则小65%。它大约是空间站正在使用中的2个马桶的一半。这意味着维护和疏通管道的工作量减少了，宇航员有更多时间专注于他们所要完成的科学任务。旧版马桶更适合男性使用，而UWMS马桶则是男女通用的，因此设计了尿液漏斗和垫圈，让女性如厕时更方便舒适。UWMS马桶的形状有点怪，整体看上去像一个机械漏，还设计了立足点和把手，放弃了在零重力环境下帮助宇航员固定位置的大腿绑带。

旧版马桶只允许宇航员要么小便要么排便，不能同时进行。太空马桶的设计难点是如何应对零重力环境。为了确保排泄物不会乱飘，UWMS马桶采用的是3D打印的钛合金风扇分离器，可以产生强大的吸力将尿液和粪便吸入马桶。它还能做到干湿分离，回收尿液，并将粪便适当保存起来。经试验，UWMS马桶的尿液回收效率显著提升了，回收后的尿液经处理后可以转变为饮用水的比重增加了。虽然听上去感受不太好，但宇航员们把提炼后的尿液当作饮用水已经习以为常了。美国宇航员佩蒂特有个精妙的比喻——“昨天的咖啡变成了明天的咖啡”。

NASA先进探测系统项目经理梅利莎·麦金利介绍道，为了改善太空马桶的方方面面，他们花了大量时间与宇航员沟通合作。UWMS马桶的核心设计理念是能轻而易举地配置到各种不同的航天器和生命维持系统中，而且改进了尿液净化过程，能回收更多尿液。而在执行较短的任务时，UWMS马桶与另一个系统协作，排泄物可以不经过化学预处理，只是存储起来。

即便如此，在距离地表约390千米的太空里处置排泄物仍然是一个复杂的过程，挑战依然存在。 “我们在空间站想做的是模仿地球上的天然水循环原理，从空气中回收水进行循环利用。”美国宇航员杰茜卡·迈尔在NASA的博客上写道，“空间站上90%的水基液体都会回收，包括尿液和汗液。”

太空如厕绝非易事

不少人羡慕宇航员能在太空体验失重的感觉，殊不知长期生活在失重状态下也有诸多烦恼，如厕困难就是其中之一。美国宇航员佩吉·惠特森曾在太空呆了665天，她表示喜欢完成各项空间站的工作，从在空间站的太阳能电池板上安装电池部件，到对太空微生物进行采样，都令人难以怀念。唯有如厕是太空生活中自己不会想念的部分，大家将其称之为“露营之旅”。英国宇航员蒂姆·皮克从空间站返回地球后感叹道：“当你刚返回地球时，重新感受重力的过程特别糟糕，但几种情况例外……比如上厕所时，重力就变成你的朋友了，这是我们宇航员都盼望的事情。”

在失重状态下，人体内的肠子处于漂浮状态，内脏不能像在地球上一样从容地工作，排便动力不足，致使排泄成为一项极具挑战性的活动。工程师们提出了一些更好的解决办法。不同于地球上的馬桶，设计太空马桶可要复杂得多。由于空间站上没有重力，马桶的设计必须使用定向气流而非重力。

最早进入太空的宇航员根本没有马桶可用。1961年4月12日，“太空第一人”——苏联人尤里·加加林乘车前往发射台，由于路途遥远，他在登上发射架前尿意爆发，最后只好通过宇航服的管道尿在了汽车轮胎上。一个月后，美国首位宇航员艾伦·谢泼德也倍受排泄的烦恼。1961年5月5日，他进入了太空舱，当时并没有小便的需求。后因技术原因导致发射推迟，他被迫在舱内等待。这时，他意识到膀胱已经满盈了，急忙请示指挥部。经过高层领导的激烈争论，他被要求呆在原地。谢泼德后来回忆说：“穿的棉质内衣立刻就湿透了，但在发射时已经完全干了。”

50多年前，NASA的阿波罗计划将人类的太空探索带入了一个新高度，相继进行了多次开创性的飞行并成功载人登月。然而，搭乘“阿波罗号”上天的宇航员们却没有厕所可用。他们只能把尿液排入一条像橡皮管一样的器皿中，然后再将尿液储存在袋子里，并带回地球上进行检测。但如果要上“大号”就更窘迫了，宇航员们不得不使用边缘上有粘环的塑料袋，附着在自己身后。为了防止气味和细菌的扩散，袋口采用了可粘贴设计，保证了与外界完全隔绝。NASA的第一个空间站——天空实验室（Skylab）的投入运行，标志着太空马桶第一次被安装到NASA航天器中。该太空马桶由壁上的一个孔组成，该孔可吸入尿液和粪便，并将其存储在袋中以进行分析。

后来，NASA的太空如厕设施有了一定发展，航天飞机上的太空马桶也被称为“废物收集系统”。该系统使用旋转扇叶将固体废物分散在容器中，再将容器暴露在真空环境中使其干燥。而液体废弃物则被排放到太空中。NASA的月球厕所挑战项目经理迈克·英特尔巴特罗曾表示，过去的太空马桶设计实在太乱了，不能有效控制气味，这让宇航员们都很厌恶。而且，如果没有搭档的帮助，那么就很难保证如厕时的密封性。

目前，国际空间站上有2个俄罗斯生产的太空马桶可供使用，大小和一个小衣柜差不多。其中，一个位于俄罗斯舱段的“星辰号”服务舱，另一个则位于美国舱段的“宁静号”节点舱。马桶的风扇抽吸系统与吸尘器相似，固体废物会被存储在铝容器的袋子中，而液体废物则会被存储于20升的容器中。相较于在阿波罗登月之旅中使用的尿不湿和尿液袋，空间站上的太空马桶要舒适很多，但是仍然会带来许多尴尬。例如，常会被宇航员吐槽如厕时味道重，使用不便等。

空间站的面积相当于一个足球场，卫生间只有一道帘子与其他区域隔开，宇航员没有太多的个人空间和隐私。而频频发生的故障，让如厕问题成为他们太空生活中最为尴尬的困扰之一。2009年7月19日，空间站主厕所发生故障，导致空间站和美国“奋进号”航天飞机上共计13名宇航员面临如厕难的窘境，被迫使用一个形似口袋并与厕所排污管道相连的后备集污装置解决问题。2019年11月27日，空间站厕所再次出现故障，造成宇航员无可用厕所，只能使用“太空尿布”。

面向公众集思广益

2020年6月25日，NASA联合HeroX平台对外公布了一项名为“月球厕所挑战”的比赛，设置3.5万美元獎金征集一款能在月球上使用的厕所，其中最高奖金为2万美元，第二名和第三名将分别获得1万美元和5000美元。NASA面向所有人甚至未成年人（18岁以下团队另设一个初级类别）征集创意。“月球厕所”将作为NASA“阿尔忒弥斯登月计划”的一部分，该计划旨在让美国在2024年之前重返月球，届时将送第13位男性和首位女性宇航员登陆月球，这也将是人类历史上第一位登上月球的女性宇航员。此外，NASA还计划在月球上建立一个永久性居住地。

根据NASA发布的设计指南，“月球厕所”设计必须满足多项要求：需要同时在微重力和月球重力环境下正常运作，其中微重力通常被称为“零重力”，近乎失重状态，而月球重力相当于地球重力的1/6。厕所的重量必须在地球重力下小于15千克，体积小于0.12立方米，能够兼容男性和女性使用。使用者的身高通常在1.47～1.96米，体重为48.5～131.5千克。厕所应收纳2名宇航员14天的排泄量，每次足够容纳1升尿液，每次排便可容纳500克粪便，允许将收集到的废物转移到储存处或在飞船外处理。

NASA强调，月球厕所应易于清洁和维护，2次使用的间隔时间不应超过5分钟。厕所使用功率应低于70瓦，运行时的噪音不得超过60分贝（比普通的浴室风扇发出的噪音更小）。月球上的资源有限，要实现节水且能够完成水的循环再利用。保持着陆器内部的原始环境，没有异味和其他污染物。厕所还需确保在马桶出现故障时不会将粪便或尿液飘散到整个机舱中，造成污染。如果宇航员不必将头伸进马桶就能处理呕吐物，那么这样的设计将得到加分。

NASA并不缺乏设计太空厕所的经验，他们目前正致力于研究如何对现有的太空马桶的设计进行更新。然而，太空专家们还是希望公众能够提供全新的、不同的方法来满足人类在其他星球如厕的需求，而这将为创新的月球系统铺平道路。迈克·英特尔巴特罗说：“我们认识到，从免抽水马桶到无水马桶再到排泄物管理等有很多创新，期望能通过这次‘月球厕所挑战比赛学习到更多先进的想法和经验，从而扩充我们的知识库，找到可能存在的未知因素。”